局部放電聲電聯合檢測定位系統及其定位方法
2023-05-12 03:19:56 2
專利名稱：：局部放電聲電聯合檢測定位系統及其定位方法
技術領域：
：本發明涉及的是一種電力設備
技術領域：
的方法，具體是一種用於現場驗收模式下的組合式氣體絕緣開關局部放電聲電聯合檢測定位系統及其定位方法。
背景技術：
：檢測局部放電是監測大型電力設備的絕緣狀態的重要手段。近年來眾多學者在這方面做了深入的研究。根據CIGRE23.10工作組的國際調查報告，1985年以前投入的GIS的562次故障中絕緣故障佔60%，1985年以後投入的GIS的247次故障中絕緣故障佔51%，絕緣擊穿的後果比較嚴重，因而受到國內外的關注。據2002年我國電力系統高壓開關事故分析報告所統計，5起GIS的事故均為絕緣事故。2005年上海超高壓GIS運行故障統計分析顯示絕緣故障佔65.1。由以上的統計數據可以看出，在GIS的事故中，絕緣事故佔了很大的比重，因此要想對GIS進行有效的檢測，必須深入研究其絕緣性能以及對絕緣故障進行及時的監測和診斷，才能真正實現狀態維修，從而確保電力系統的安全可靠運行。目前GIS絕緣檢測與診斷最有效的方法就是局部放電檢測。局部放電既是GIS絕緣劣化的徵兆和表現形式，又是絕緣進一步劣化的原因。由於絕緣擊穿的後果經常比較嚴重，因而受到國內外的關注。顯然，對GIS進行局部放電檢測能夠有效地發現其內部早期的絕緣缺陷，以便採取措施，避免其進一步發展，提高GIS的可靠性。它還可以彌補耐壓試驗的不足，通過局部放電檢測能發現GIS製造和安裝的"清潔度"，能發現絕緣製造工藝和安裝過程中的缺陷、差錯，並能確定故障位置，從而進行有效的處理，確保設備的安全運行。因此，開展GIS局部放電檢測研究具有十分重要的現實意義。GIS的局部放電檢測方法大致可以分為兩大類型電測法和非電測法，其具體主要可分為以下五種方法1、耦合電容法又稱為脈衝電流法，它利用貼在GIS外殼上的電容電極耦合探測由於局部放電而在導體芯上引起的電壓變化。該方法結構簡單，便於實現。但是在現場測試時，無法識別與多種噪聲混雜在一起的局部放電信號，因此這種方法的使用推廣受到了很大限制；2、超高頻法英國Strathclyde大學提出的超高頻(UltraHighFrequency,UHF)法目前已經成功應用到GIS生產和運行中，它是一種利用超高頻率信號進行局部放電監測的方法。在UHF法中傳感器並非起電容耦合的作用，而是接收UHF信號的天線，所以UHF法的原理與脈衝電流法是不同的。它最主要的優點是高靈敏度，並能夠通過放電源到不同傳感器的時間差對放電源進行精確定位。它對傳感器的採集精度和帶寬要求很高，因此造價較高；3、超聲波監測法由於GIS內部產生局部放電信號的時候，會產生衝擊的振動及聲音，因此可以用腔體外壁上安裝的超聲波傳感器來測量局部放電信號。超聲波法是目前使用的除UHF方法之外最成熟的局部放電監測方法。4、化學監測法通過分析GIS中局部放電所引起的氣體生成物的含量來確定局部放電的嚴重程度，但是GIS中的吸附劑和乾燥劑可能會影響化學方法的測量；斷路器正常開斷時產生的電弧產生的氣體生成物，也會產生影響；脈衝放電產生的分解物會被大量的SF6氣體所稀釋，因此就局部放電監測而言，化學方法的靈敏度很差；另外，該方法不能作為長期監測的方法來使用；5、光學監測法光電倍增器可以監測到甚至一個光子的發射，但是由於射線被SF6氣體和玻璃強烈地吸收，因此有"死角"出現，該方法對於已知放電源位置的監測比較有效，但不具備對故障的定位能力。並且由於GIS內壁光滑而引起的反射所帶來的影響，造成靈敏度不高。表l-lGIS中局部放電監測方法的性能一覽表tableseeoriginaldocumentpage5綜上所述，總結上述方法的特點，表1-1所示為其優缺點及各種性能的比較和說明。通過對上面五種方法的比較，我們可以得出以下結論在對GIS中產生的局部放電信號的檢測方法中，超高頻(UHF)法和超聲波法是比較實用可行的方法。
發明內容本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種局部放電聲電聯合檢測定位系統及其定位方法，即利用300MHz3GHz的超高頻和超聲兩種檢測方法，檢測被測試設備內部是否存在著製造或安裝過程中可能存在的各種絕緣缺陷，從而導致設備在高壓運行下發生局部放電。而局部放電可以加速絕緣老化，影響設備使用壽命，降低電力系統供電的穩定性和可靠性，因此必須提早發現設備內部可能存在的絕緣缺陷隱患。本發明可以通過後臺軟體診斷控制採集前端對GIS設備進行實時在線局部放電檢測，並通過軟體的信號處理單元、模式識別單元、智能診斷單元以及故障定位單元對檢測到的數據進行分析處理，在設備驗收階段提早發現設備內部可能存在的絕緣缺陷，排除安全隱患，提高驗收精度，保證電力系統供電安全可靠的運行。本發明是通過以下技術方案實現的本發明涉及局部放電聲電聯合檢測定位系統，包括若干個傳感放大模塊、前端檢測模塊和工業控制模塊，其中若干個傳感放大模塊設置於被測試的GIS外殼腔體上並與前端檢測模塊相連接輸出放大信號，前端檢測模塊對輸入的若干路放大信號進行同步信號採集，並輸出至工業控制模塊，工業控制模塊輸出控制指令至前端檢測模塊。所述的傳感放大模塊包括超高頻傳感器、超聲傳感器、超高頻放大器和超聲放大器，其中超高頻傳感器設置於被測試GIS上，超聲傳感器固定於GIS腔體外殼上，超高頻傳感器和超聲傳感器分別與超高頻放大器和超聲放大器相連接以輸出超高頻傳感信號和超聲傳感信號，超高頻放大器對接收到的超高頻傳感信號進行脈衝展寬和對數放大並輸出至前端檢測模塊，超聲放大器對接收到的超聲傳感信號進行100倍或1000倍放大並輸出至前端檢測模塊。所述的前端檢測模塊包括信號分配接口單元、主板指令控制單元、AD採集單元以及DSP信號處理單元，其中信號分配接口單元與前級經放大器放大後的超高頻信號以及超聲信號相連接，進行信號分配並傳感器識別後輸出至AD採集單元，主板控制單元與DSP信號處理單元以及AD採集單元相連接，接收DSP信號處理單元發出的控制指令，經CPLD邏輯運算後輸出至AD採集單元，控制AD採集單元進行數據採集，AD採集單元與主板控制單元相連接，接收主板控制單元發出的指令，並把採集後的信息發送至信號處理單元，DSP信號處理單元與主板控制單元以及後臺工控機相連接，接收工控機發送的指令和AD發送的數據，進行相關信號處理和特徵提取後，將數據發送至後臺工控機。所述的控制模塊包括局部放電信號處理單元、幹擾抑制單元、特徵提取單元、智能診斷單元和歷史資料庫管理單元，其中信號處理單元對採集的局部放電數據進行FIR濾波以及閾值提取後發送至幹擾抑制單元，幹擾抑制單元採用特徵對比方法與幹擾通道採集的現場背景信號進行對比並進行時域開窗運算，剔除現場可能存在的脈衝等幹擾後發送至特徵提取單元，特徵提取單元根據局部放電信號發生的時域特徵信息提取處特徵譜圖和放電指紋圖譜並輸出至智能診斷單元，智能診斷單元對特徵圖譜和放電指紋圖譜進行分析評估，包括引起局部放電的缺陷類型和缺陷嚴重程度並保存至歷史資料庫，歷史資料庫管理單元對歷史數據進行離線管理和查詢，通過設置監測參數監測局部放電分布趨勢。本發明涉及上述局部放電聲電聯合檢測定位系統的定位方法，包括以下步驟第一步、信號讀取由超高頻傳感器和超聲傳感器分別檢測被測試設備所產生的超高頻信號r(t)和超聲信號a(t)。第二步、信號判別將超高頻信號r(t)與放置於檢測現場的外置超高頻幹擾傳感器信號進行對比。第三步、模式識別前端檢測模塊將超高頻信號r(t)和超聲信號a(t)進行FIR信號濾波、小波濾波和特徵提取處理，生成的信號特徵值經乙太網/光纖傳輸至後臺工控機進行信號處理和模式識別，通過採集若干個工頻周期的數據，根據偏斜度&、突出度&計算特徵圖譜，再根據特徵圖譜計算出最大放電量、平均放電量以及放電能量的相位分布，得到疑似放電位置。第四步、放電源定位根據不同傳感器之間的時間差，在疑似放電位置依次進行初步定位和精確定位，以確定局部放電位置。本發明集中了超高頻檢測法和超聲檢測法二者的優點，可以及時發現GIS安裝過程中可能存在的絕緣配合等缺陷，提高了驗收精度，保證了電力系統的供電安全可靠。圖1為本發明結構示意圖。圖2為對110kV的GIS現場檢測所加電壓的示意圖。圖3為實施例高壓導體針尖缺陷放電的圖譜。圖4為實施例外殼金屬顆粒缺陷放電的圖譜。具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。如圖1所示，本實施例包括若干個傳感放大模塊、前端檢測模塊和工業控制模塊，其中若干個傳感放大模塊設置於被測試的GIS外殼腔體上並與前端檢測模塊相連接輸出放大信號，前端檢測模塊對輸入的若干路放大信號進行同步信號採集並輸出至工業控制模塊，工業控制模塊輸出控制指令至前端檢測模塊。所述的傳感放大模塊包括超高頻傳感器、超聲傳感器、超高頻放大器和超聲放大器，其中超高頻傳感器設置於被測試GIS上，超聲傳感器固定於GIS腔體外殼上，超高頻傳感器和超聲傳感器分別與超高頻放大器和超聲放大器相連接以輸出超高頻傳感信號和超聲傳感信號，超高頻放大器對接收到的超高頻傳感信號進行脈衝展寬和對數放大並輸出至前端檢測模塊，超聲放大器對接收到的超聲傳感信號進行100倍或1000倍放大並輸出至前端檢測模塊。所述的超高頻傳感器檢測帶寬為300MHz3GHz;所述的超聲傳感器檢測帶寬為20KHz300KHz。所述的前端檢測模塊包括信號分配接口單元、主板指令控制單元、AD採集單元以及DSP信號處理單元，其中信號分配接口單元與前級經放大器放大後的超高頻信號以及超聲信號相連接，進行信號分配並傳感器識別後輸出至AD採集單元，主板控制單元與DSP信號處理單元以及AD採集單元相連接，接收DSP信號處理單元發出的控制指令，經CPLD邏輯運算後輸出至AD採集單元，控制AD採集單元進行數據採集，AD採集單元與主板控制單元相連接，接收主板控制單元發出的指令，並把採集後的信息發送至信號處理單元，DSP信號處理單元與主板控制單元以及後臺工控機相連接，接收工控機發送的指令和AD發送的數據，進行相關信號處理和特徵提取後，將數據發送至後臺工控機。所述的控制指令包括採樣啟停指令、檢測模式選擇、採樣率控制指令、採樣時間間隔控制指令、計算指紋參數、幹擾通道對比指令、信號處理指令、特徵提取指令。所述的控制模塊包括局部放電信號處理單元、幹擾抑制單元、特徵提取單元、智能診斷單元和歷史資料庫管理單元，其中信號處理單元對採集的局部放電數據進行FIR濾波以及閾值提取後發送至幹擾抑制單元，幹擾抑制單元採用特徵對比方法與幹擾通道採集的現場背景信號進行對比並進行時域開窗運算，剔除現場可能存在的脈衝等幹擾後發送至特徵提取單元，特徵提取單元根據局部放電信號發生的時域特徵信息提取處特徵譜圖和放電指紋圖譜並輸出至智能診斷單元，智能診斷單元對特徵圖譜和放電指紋圖譜進行分析評估，包括引起局部放電的缺陷類型和缺陷嚴重程度並保存至歷史資料庫，歷史資料庫管理單元對歷史數據進行離線管理和查詢，通過設置監測參數監測局部放電分布趨勢。所述的監測參數包括最大放電量、平均放電量、小-q-n、偏斜度和突出度。所述的控制模塊採用Client/Server結構，通過乙太網/光纖網絡相連接，提高了系統的抗幹擾能力，在對GIS設備進行局部放電檢測時得到的結論置信度更高，支持遠程監控，可以在電力系統的集控變電站內通過遠程監控本系統的運行情況，提高工作效率。本實施例通過以下定位方法實現定位第一步、信號讀取由超高頻傳感器和超聲傳感器分別檢測被測試設備所產生的超高頻信號r(t)和超聲信號a(t)。第二步、信號判別將超高頻信號r(t)與放置於檢測現場的外置超高頻幹擾傳感器信號進行對比當在時間差小於毫秒級別時檢測到有超高頻信號r(t)和超聲信號a(t)發生，並且超高頻r(t)幅值大於外置超高頻幹擾通道的信號幅值，則判斷檢測到的超高頻信號r(t)和超聲信號a(t)屬於內部絕緣缺陷；當在時間差小於納秒級別時檢測到有超高頻信號r(t)和外置超高頻幹擾通道信號發生，而沒有檢測到超聲信號a(t);或者檢測到有超聲信號，但與超高頻信號r(t)在時域上沒有相關性，則判斷檢測到的超高頻信號r(t)和超聲信號a(t)分別屬於外部設備所激發的幹擾超高頻信號和設備振動產生的超聲信號。第三步、模式識別前端檢測模塊將超高頻信號r(t)和超聲信號a(t)進行FIR信號濾波、小波濾波和特徵提取處理，生成的信號特徵值經乙太網/光纖傳輸至後臺工控機進行信號處理和模式識別，通過採集若干個工頻周期的數據，根據偏斜度&、突出度&計算特徵圖譜，再根據特徵圖譜計算出最大放電量、平均放電量以及放電能量的相位分布，得到疑似放電位置。所述的偏斜度Sk、突出度Ku的計算公式如下51=L、！-^-js:=6、'-^-—3."C74一其中Xi為離散值；Pi為&的概率；U為數據的平均值，O為數據的標準偏差。第四步、放電源定位根據不同傳感器之間的時間差，在疑似放電位置依次進行初步定位和精確定位，以確定局部放電位置。所述的初步定位是指在疑似放電位置布置至少兩個超高頻傳感器，其中一個為固定位置超高頻傳感器，另一個為移動位置超高頻傳感器，對兩個超高頻傳感器的傳感信號比較判斷，檢測兩個超高頻傳感器的信號幅值的時間差變化趨勢方向，將移動位置超高頻傳感器向時間差變化趨勢降低的方向移動，直至時間差為零，此時移動位置超高頻傳感器所在位置與固定位置超高頻傳感器所在位置的中間即為初步放電源位置，多次重複初步定位直至確定精確度達到米級；所述的精確定位是指在精確度達到米級的初步放電源位置處設置至少兩個超聲傳感器，其中一個為固定位置超聲傳感器，另一個為移動位置超聲傳感器，對兩個超聲傳感器的傳感信號比較判斷，檢測兩個超聲傳感器的信號幅值的時間差變化趨勢方向，將移動位置超聲傳感器向時間差變化趨勢降低的方向移動，直至時間差為零，此時移動位置超聲傳感器所在位置與固定位置超聲傳感器所在位置的中間即為局部放電位置，多次重複精確定位直至確定精確度達到釐米級，完成對局部放電位置的定位。如圖2所示，本實例在現場110kVGIS耐壓驗收測試所加電壓波形圖。首先把試驗電壓升至73kV，進行5分鐘的老練；然後電壓升至126kV，保持3分鐘；再把升至184kV，保持1分鐘進行耐壓試驗；然後電壓降至126kV，保持5分鐘；最後電壓降至0。在上述整個耐壓驗收過程中，本發明所介紹的局放檢測系統在試驗現場所加測試電壓時同步在線自動進行局放檢測，在測試完成後判斷缺陷類型，給出診斷結果。整個測試過程無需人工操作，保證了人身安全，提高驗收了效率。如圖3和圖4所示，本實施例在某變電站耐壓測試過程中發現的缺陷類型。其中圖3所示為高壓導體上針尖放電模型；圖4為腔體底部金屬顆粒放電模型。權利要求一種局部放電聲電聯合檢測定位系統，包括若干個傳感放大模塊、前端檢測模塊和工業控制模塊，其特徵在於若干個傳感放大模塊設置於被測試的GIS外殼腔體上並與前端檢測模塊相連接輸出放大信號，前端檢測模塊對輸入的若干路放大信號進行同步信號採集並輸出至工業控制模塊，工業控制模塊輸出控制指令至前端檢測模塊。2.根據權利要求1所述的局部放電聲電聯合檢測定位系統，其特徵是，所述的傳感放大模塊包括超高頻傳感器、超聲傳感器、超高頻放大器和超聲放大器，其中超高頻傳感器設置於被測試GIS上，超聲傳感器固定於GIS腔體外殼上，超高頻傳感器和超聲傳感器分別與超高頻放大器和超聲放大器相連接以輸出超高頻傳感信號和超聲傳感信號，超高頻放大器對接收到的超高頻傳感信號進行脈衝展寬和對數放大並輸出至前端檢測模塊，超聲放大器對接收到的超聲傳感信號進行100倍或1000倍放大並輸出至前端檢測模塊。3.根據權利要求1所述的局部放電聲電聯合檢測定位系統，其特徵是，所述的前端檢測模塊包括信號分配接口單元、主板指令控制單元、AD採集單元以及DSP信號處理單元，其中信號分配接口單元與前級經放大器放大後的超高頻信號以及超聲信號相連接，進行信號分配並傳感器識別後輸出至AD採集單元，主板控制單元與DSP信號處理單元以及AD採集單元相連接，接收DSP信號處理單元發出的控制指令，經CPLD邏輯運算後輸出至AD採集單元，控制AD採集單元進行數據採集，AD採集單元與主板控制單元相連接，接收主板控制單元發出的指令，並把採集後的信息發送至信號處理單元，DSP信號處理單元與主板控制單元以及後臺工控機相連接，接收工控機發送的指令和AD發送的數據，進行相關信號處理和特徵提取後，將數據發送至後臺工控機。4.根據權利要求1所述的局部放電聲電聯合檢測定位系統，其特徵是，所述的控制模塊包括局部放電信號處理單元、幹擾抑制單元、特徵提取單元、智能診斷單元和歷史資料庫管理單元，其中信號處理單元對採集的局部放電數據進行FIR濾波以及閾值提取後發送至幹擾抑制單元，幹擾抑制單元採用特徵對比方法與幹擾通道採集的現場背景信號進行對比並進行時域開窗運算，剔除現場可能存在的脈衝等幹擾後發送至特徵提取單元，特徵提取單元根據局部放電信號發生的時域特徵信息提取處特徵譜圖和放電指紋圖譜並輸出至智能診斷單元，智能診斷單元對特徵圖譜和放電指紋圖譜進行分析評估，包括引起局部放電的缺陷類型和缺陷嚴重程度並保存至歷史資料庫，歷史資料庫管理單元對歷史數據進行離線管理和查詢，通過設置監測參數監測局部放電分布趨勢。5.—種根據權利要求1所述的局部放電聲電聯合檢測定位系統的定位方法，其特徵在於，包括以下步驟第一步、信號讀取由超高頻傳感器和超聲傳感器分別檢測被測試設備所產生的超高頻信號r(t)和超聲信號a(t);第二步、信號判別將超高頻信號r(t)與放置於檢測現場的外置超高頻幹擾傳感器信號進行對比；第三步、模式識別前端檢測模塊將超高頻信號r(t)和超聲信號a(t)進行FIR信號濾波、小波濾波和特徵提取處理，生成的信號特徵值經乙太網/光纖傳輸至後臺工控機進行信號處理和模式識別，通過採集若干個工頻周期的數據，根據偏斜度Sk、突出度Ku計算特徵圖譜，再根據特徵圖譜計算出最大放電量、平均放電量以及放電能量的相位分布，得到疑似放電位置；第四步、放電源定位根據不同傳感器之間的時間差，在疑似放電位置依次進行初步定位和精確定位，以確定局部放電位置。6.根據權利要求5所述的局部放電聲電聯合檢測定位系統的定位方法，其特徵是，第二步中所述的是指對比當在時間差小於毫秒級別時檢測到有超高頻信號r(t)和超聲信號a(t)發生，並且超高頻r(t)幅值大於外置超高頻幹擾通道的信號幅值，則判斷檢測到的超高頻信號r(t)和超聲信號a(t)屬於內部絕緣缺陷；當在時間差小於納秒級別時檢測到有超高頻信號r(t)和外置超高頻幹擾通道信號發生，而沒有檢測到超聲信號a(t);或者檢測到有超聲信號，但與超高頻信號r(t)在時域上沒有相關性，則判斷檢測到的超高頻信號r(t)和超聲信號a(t)分別屬於外部設備所激發的幹擾超高頻信號和設備振動產生的超聲信號。7.根據權利要求5所述的局部放電聲電聯合檢測定位系統的定位方法，其特徵是，第三步中所述的偏斜度Sk、突出度Ku的計算公式如下\=-^-;、=-j-—-;；其中Xi為離散值；Pi為Xi的概率；u為數據的平均值，o為數據的標準偏差。8.根據權利要求5所述的局部放電聲電聯合檢測定位系統的定位方法，其特徵是，所述的初步定位是指在疑似放電位置布置至少兩個超高頻傳感器，其中一個為固定位置超高頻傳感器，另一個為移動位置超高頻傳感器，對兩個超高頻傳感器的傳感信號比較判斷，檢測兩個超高頻傳感器的信號幅值的時間差變化趨勢方向，將移動位置超高頻傳感器向時間差變化趨勢降低的方向移動，直至時間差為零，此時移動位置超高頻傳感器所在位置與固定位置超高頻傳感器所在位置的中間即為初步放電源位置，多次重複初步定位直至確定精確度達到米級。9.根據權利要求5所述的局部放電聲電聯合檢測定位系統的定位方法，其特徵是，所述的精確定位是指在精確度達到米級的初步放電源位置處設置至少兩個超聲傳感器，其中一個為固定位置超聲傳感器，另一個為移動位置超聲傳感器，對兩個超聲傳感器的傳感信號比較判斷，檢測兩個超聲傳感器的信號幅值的時間差變化趨勢方向，將移動位置超聲傳感器向時間差變化趨勢降低的方向移動，直至時間差為零，此時移動位置超聲傳感器所在位置與固定位置超聲傳感器所在位置的中間即為局部放電位置，多次重複精確定位直至確定精確度達到釐米級，完成對局部放電位置的定位。全文摘要一種電力系統
技術領域：
的局部放電聲電聯合檢測定位系統及其定位方法，包括若干個傳感放大模塊、前端檢測模塊和工業控制模塊，其中若干個傳感放大模塊設置於被測試的GIS外殼腔體上並與前端檢測模塊相連接輸出放大信號，前端檢測模塊對輸入的若干路放大信號進行同步信號採集並輸出至工業控制模塊，工業控制模塊輸出控制指令至前端檢測模塊。本發明集中了超高頻檢測法和超聲檢測法二者的優點，可以及時發現GIS安裝過程中可能存在的絕緣配合等缺陷，提高了驗收精度，保證了電力系統的供電安全可靠。文檔編號G01R31/12GK101702002SQ20091031097公開日2010年5月5日申請日期2009年12月7日優先權日2009年12月7日發明者劉君華,吳劍敏,吳曉春,姚明,姚林朋,徐敏驊,江秀臣,王輝,謝偉,鄭文棟,郭燦新,錢勇,黃成軍申請人:上海市電力公司;上海交通大學